B I O Q U Í M I C A

Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR
Tecnologia em Processos Químicos
3º Período – 1º sem. 2009
B
I
O
Q
U
Í
M
I
C
A
PARTE 1: Biomoléculas - Proteínas
Professora: Janesca Alban Roman
Acadêmico (a):
49
AMINOÁCIDOS
Os aminoácidos (aas) funcionam não só como unidades estruturais para a formação
das proteínas, mas também como precursores de uma série de substâncias
biologicamente importantes como hormônios e pigmentos, etc.
Os aminoácidos são as unidades estruturais básicas das proteínas. Dispostos em
seqüências específicas, os aminoácidos dão identidade e caráter as proteínas. Os
organismos vivos são formados por 20 tipos de aminoácidos.
Os aminoácidos encontrados nas proteínas possuem
em comum a presença de um grupo amino (-NH2), um
grupo carboxíla (-COOH), um átomo de hidrogênio (H)
e um radical R diferenciado (cadeia lateral), ligados a
um átomo de carbono (carbono alfa, quiral ou
opticamente ativo (Figura 9).
Dois aminoácidos não se encaixam nesta
definição, a glicina que possui como radical o átomo de
hidrogênio e a prolina que contêm o grupo imino (-NH)
em substituição ao grupo amino (-NH2),estruturalmente
considerada como um iminoácido, mas se inclui entre
os
aminoácidos
por
apresentar
propriedades
semelhantes a estes.
A ligação peptídica (reação de condensação) se
forma entre o grupo carboxila de um aminoácido e o
grupo amino do outro. Esta ligação ocorre através da
Figura 9– Estrutura geral
liberação de uma molécula de água para cada ligação
de um aminoácido
peptídica formada (Figura 10).
Figura 10 – Formação de um dipeptídeo
A união de 2 aas formam um dipeptídeo, de 3 aas um tripeptídeo de n aas formam
um polipetídeo e a união de vários peptídeos formam uma proteína.
Além da ligação peptídica, outras ligações podem ser importantes para a
determinação da estrutura protéica, como pontes de hidrogênio, ligações
eletrostáticas/salinas/iônicas,
hidrofóbicas/apolares/Van
der
Walls,
ligações
polares/dipolo-dipolo e pontes dissulfeto.
50
1. CLASSIFICAÇÃO
1.1 Essenciais e não essenciais
Essenciais, ou indispensáveis: são aqueles que o organismo humano não consegue
sintetizar. Desse modo, eles devem ser obrigatoriamente ingeridos através de alimentos,
pois caso contrário, ocorre a desnutrição. Assim, a alimentação deve ser a mais variada
possível para que o organismo se satisfaça com o maior número desses aminoácidos. As
principais fontes desses aminoácidos são a carne, o leite e o ovo. A falta desses
aminoácidos pode levar à perda de peso, diminuição do crescimento, balanço nitrogenado
negativo e sintomas clínicos.
Os aminoácidos não-essenciais, ou dispensáveis, são aqueles que o organismo humano
consegue sintetizar a partir dos alimentos ingeridos.
Os aminoácidos condicionalmente essenciais ou condicionalmente indispensáveis:
Quando o organismo precisa de certo aminoácido em algumas condições específicas:
desnutridos, cirurgias, lesões. A arginina pode ser sintetizada, mas é requerida em
quantidades maiores para o crescimento e desenvolvimento normais e a histidina é um
aa essencial para crianças.
Quadro 13- Classificação dos aminoácidos
Essenciais
Condicionalmente
essenciais
Fenilalanina
Arginina
Não essenciais
Alanina
Isoleucina
Cisteína e cistina
Ácido aspártico
Leucina
Glicina
Ácido glutâmico
Lisina
Glutamina
Asparagina
Metionina
Histidina
Treonina
Prolina
Triptofano
Serina
Valina
Taurina
Tirosina
Fonte: Adaptado de Waitzberg, 2006.
1.2 Cadeia lateral
Com base na cadeia lateral dos aminoácidos estes podem ser classificados como
apolares ou polares (sem carga, carregados positivamente (básicos) ou carregados
negativamente (ácidos). Essas propriedades químicas isoladas dos aminoácidos
continuam existindo após a inserção de resíduos destes na cadeia protéica e garantem as
propriedades químicas das proteínas. A partir desses blocos de construção distintos, os
organismos podem sintetizar produtos muitos diferentes entre si, como enzimas,
hormônios, anticorpos, penas de pássaros, teias de aranha, antibióticos, venenos de
fungos peçonhentos, entre tantos outros produtos, cada qual com sua atividade biológica
característica.
51
Aminoácidos com cadeias laterais apolares (hidrofóbicas): têm grupos R constituídos por
cadeias com carácter de hidrocarbonetos, que não interagem com a água. Geralmente
estão localizados na parte interna da proteína. Ex: glicina, alanina, valina, leucina,
isoleucina, metionina, fenilalanina, triptofano e prolina (freqüentemente interrompe as αhélices encontradas em proteínas globulares- mioglobina), contribuindo para a formação
de proteínas fibrosas-colágeno).
Aminoácidos polares (hidrofílicos): são os que têm nas cadeias laterais, grupos com carga
elétrica líquida ou com cargas residuais, que os capacitam a interagir com a água. São
geralmente encontrados na superfície da molécula protéica. Quanto a carga são divididos
em 3 categorias:
- polares com cadeias laterais desprovidas de carga elétrica ou neutras (sem
carga): apresentam carga líquida zero em pH neutro. a) serina, treonina e tirosina, com
grupo hidroxila na cadeia lateral; b) asparagina e glutamina, com grupo amida e c)
cisteína com um grupo sulfidrila. A cisteína contem um grupo sulfidrila (-SH), podendo
formar a cistina (-S-S-), denominada de ponte dissulfeto, os demais tendem a formar
pontes de hidrogênio.
- polares com cadeias laterais carregadas negativamente (ácidos): São doadores
de prótons. Em pH neutro, as cadeias laterais desses aminoácidos encontram-se
completamente ionizadas, contendo um grupo carboxilato carregado negativamente (COO-): ácido aspártico e ácido glutâmico.
- polares com cadeias laterais carregadas positivamente (básicos): lisina, arginina e
histidina
Aminoácidos são armazenados no organismo?
Não existe reserva considerável de aas livres no organismo. Os aas permanecem
em estado dinâmico de turnover, ou reciclagem, de síntese intracelular e degradação do
excedente. O destino do pool (conjunto presente em todo organismo) de aas livres é
múltiplo: incorporação em proteína tissular, neoglicogênese e síntese de novos
compostos nitrogenados (creatina e epinefrina).
As proteínas tissulares podem sofrer degradação e liberar aas para o pool. Os
aminoácidos livres são então usados para síntese de novas proteínas ou degradados no
fígado, músculo, rim e cérebro em amônia e ácido glutâmico. Ainda no fígado, aqueles
aas não utilizados, são sintetizados em uréia, por sua vez excretados pelo rim.
52
Cadeias laterais alifáticas
Cadeias laterais hidroxiladas
Cadeias laterais básicas (carregados positivamente)
53
Cadeias laterais aromáticas
Cadeias laterais ácidas (carregados negativamente) e seus derivados
Cadeias laterais sulfuradas
Iminoácido
54
Folha de codificação e características – frança
55
56
2. PROPRIEDADES DOS AMINOÁCIDOS
a) Propriedade elétrica (ácida ou básica):
b) Ponto isoelétrico (pI):
Figura 11 – Propriedade ácida e básica da alanina.
Fonte: Marzzoco e Torres (2007).
57
www.mapasmentais.com.br - Aminoácidos
58
ATIVIDADES: AMINOÁCIDOS
1) O que são aminoácidos e como são constituídos quimicamente? Desenhe a sua
estrutura básica.
2) Diferencie aminoácidos essenciais dos não-essenciais. Cite exemplos.
3) Como os aminoácidos são unidos? Essa ligação é covalente? Esquematize a formação
de um dipeptídeo.
4) Diferencie dipeptídeo, tripepídeo, polipeptídeos e proteínas.
5) Diferencie hidrólise de condensação.
6) O que é ponto isoelétrico de um aa?
7) Os aminoácidos são armazenados no organismo humano? Justifique
59
PROTEÍNAS
As proteínas são compostos orgânicos de alto peso molecular, são formadas pelo
encadeamento de aminoácidos. Representam cerca de 50 a 80% do peso seco da célula
sendo, portanto, o composto orgânico mais abundante de matéria viva. São encontradas
em todas as partes de todas as células, uma vez que são fundamentais sob todos os
aspectos da estrutura e função celulares. São os constituintes básicos da vida: tanto que
seu nome deriva da palavra grega "proteios", que significa "em primeiro lugar".
Nos animais, as proteínas correspondem à cerca de 80% do peso dos músculos
desidratados, cerca de 70% da pele e 90% do sangue seco. Mesmo nos vegetais as
proteínas estão presentes. Existem muitas espécies diferentes de proteínas, cada uma
especializada para uma função biológica diversa. Além disso, a maior parte da informação
genética é expressa pelas proteínas.
Todas contêm carbono, hidrogênio, nitrogênio e oxigênio, e quase todas contêm
enxofre. Algumas proteínas contêm elementos adicionais, particularmente fósforo, ferro,
zinco e cobre. Independentemente de sua função ou espécie de origem, são construídas
a partir de um conjunto básico de vinte aminoácidos, arranjados em várias seqüências
específicas, que se repetem, em média, cerca de 100 vezes.
Todas as proteínas, sejam das linhagens mais antigas de bactérias ou de forma
mais complexa de vida, são constituídas com o conjunto de 20 aminoácidos, unidos
covalentemente por ligações peptídicas, em seqüências lineares características.
Considerando-se a formação de proteínas contendo somente 20 aas, um de cada tipo,
poderiam ser obtidos 2,4 x 1018 moléculas diferentes! Como as proteínas são compostas
por centenas de aminoácidos, cada um deles podendo estar presente mais de uma vez, a
possibilidade de construção de moléculas diferentes é praticante infinita. Em virtude de
cada um destes aminoácidos ter uma cadeia lateral distinta, a qual determina as suas
propriedades químicas, este grupo de 20 moléculas precursoras pode ser considerado
como o “alfabeto” com o qual a linguagem da estrutura protéica é escrita.
1. DEFINIÇÃO
As proteínas são macromoléculas compostas de uma ou mais cadeias
polipeptídicas, cada uma possuindo uma seqüência característica de aminoácidos. São,
portanto polímeros de aminoácidos (somente L-aminoácidos) *D-aminoácidos são
encontrados em alguns antibióticos e em paredes celulares de bactérias. Desta forma, as
proteínas têm como base de sua estrutura os polipeptídios formados de ligações
peptídicas entre os grupos amino (-NH2) de um aminoácido e carboxílico (-COOH) de
outro, ambos ligados ao carbono alfa de cada um dos aminoácidos.
As cadeias assim constituídas chamam-se cadeias polipetídidas e, ao atingirem
certa dimensão, recebem o nome de proteína. É comum considerar proteínas os
polipeptídeos com peso molecular a partir de 6.000 Da.
COOH
|
+
H3N – C – H
|
CH3
L – alanina
HOOC
|
H – C –NH3+
|
H3C
D – alanina
Figura 12- Formas D e L da alanina são imagens especulares (imagens no espelho)
60
2. FUNÇÕES
As proteínas podem ser agrupadas em várias categorias de acordo com a sua
função. De uma maneira geral, as proteínas desempenham nos seres vivos as seguintes
funções:
a) Estrutural - participam da estrutura dos tecidos. Exemplos: Colágeno (proteína fibrosa
de alta resistência, encontrada na pele, nas cartilagens, nos ossos, tendões e
ligamentos), elastina (vasos sanguíneos), actina e miosina (proteínas miofibrilares
contráteis que participam do mecanismo da contração muscular), queratina (proteína
impermeabilizante encontrada na pele, no cabelo e nas unhas), albumina (proteína mais
abundante do sangue, relacionada com a regulação osmótica e com a viscosidade do
plasma).
b) Enzimática - toda enzima é uma proteína. As enzimas são fundamentais como
moléculas reguladoras das reações biológicas, atuando como catalisadores biológicos.
Catalisam milhares de reações químicas que ocorrem nos organismos. Dentre as
proteínas com função enzimática podemos citar, como exemplo, as lipases - enzimas que
transformam os lipídios em suas unidades constituintes, como os ácidos graxos e glicerol.
A glicose 6-fosfato isomerase que transforma a glicose6-fosfato em frutose 6-fosfato,
entre tantas outras como amilase, protease, lactase, sacarase, piruvato quinase, malato
desidrogenase, fumarato hidratase, xantina oxidase, etc.
c) Hormonal - muitos hormônios de nosso organismo são de natureza protéica (insulina,
glucagôn). Resumidamente, podemos caracterizar os hormônios como substâncias
elaboradas pelas glândulas endócrinas e que, uma vez lançadas no sangue, vão
estimular ou inibir a atividade de certos órgãos, desempenhando dessa forma funções
importantíssimas como reguladores do metabolismo.
d) Antígeno/anticorpo - existem células no organismo capazes de "reconhecer" proteínas
"estranhas" que são chamadas de antígenos. Como reações a presença de antígenos, os
organismos sintetizam anticorpos que reagem no sentido de neutralizar os efeitos
indesejáveis do antígeno. O anticorpo combina-se, quimicamente, com o antígeno, do
maneira a neutralizar seu efeito (ex: vacinação). A reação antígeno-anticorpo é altamente
específica, o que significa que um determinado anticorpo neutraliza apenas o antígeno
responsável pela sua formação. Os anticorpos são produzidos por certas células de corpo
(como os linfócitos). Ex: Imunoglobulinas e o interferon que atuam no combate a
infecções bacterianas e virais.
e) Nutricional – poderá ser exercida por qualquer proteína, enquanto não apresentar
propriedades tóxicas. Ingeridas com os alimentos as proteínas sofrem ação das enzimas
proteolíticas e seus aminoácidos, uma vez absorvidos, entrarão na síntese de proteínas
próprias do organismo que a ingeriu. O valor nutritivo de uma proteína dependerá de sua
digestibilidade e de sua composição ou da presença dos aminoácidos essenciais em
quantidade e proporções adequadas devendo ainda estar em forma biodisponível.
f) Anti-coagulante- vários são os fatores da coagulação que possuem natureza protéica,
como por exemplo: fibrinogênio, globulina anti-hemofílica, etc...
g) Transporte – pode-se citar como exemplo a hemoglobina, proteína responsável pelo
transporte de O2 (oxigênio) dos alvéolos pulmonares para os tecidos e CO2 (dióxido de
carbono) dos tecidos para os pulmões, no fenômeno de respiração aeróbica.
61
3. CLASSIFICAÇÃO
3.1. Composição
De acordo com a composição podem ser divididas em duas grandes classes:
a) Proteínas simples: apresentando apenas aminoácidos em sua composição.
b) Proteínas conjugadas: formadas por aminoácidos (parte protéica) e de outras
substâncias (parte não protéica, ou também chamado de grupo prostético).
Ex: nucleoproteínas, glicoproteínas, lipoproteínas, hemoproteínas, flavoproteínas,
fosfoproteínas e metaloproteínas.
3.2. Forma
Dois tipos distintos de proteínas podem ainda serem evidenciados quanto à forma
tridimensional das cadeias polipeptídicas.
a) proteínas fibrosas: que apresentam forma alongada, geralmente são insolúveis em
água e desempenham papel estrutural passivo nos sistemas biológicos. São formadas
pela associação de módulos repetitivos, possibilitando a construção de grandes
estruturas. Os componentes fundamentais das proteínas fibrosas são cadeias
polipeptídicas muito longas com estrutura secundária regular. Exemplos:
- colágeno (tripla hélice, tropocolágeno, que quando submetida ao aquecimento, a
estrutura do colágeno é rompida, origina uma proteína desenrolada, mais solúvel, a
gelatina). As fibras de colágeno são responsáveis pelas funções mecânicas e de
sustentação do tecido conjuntivo, que se distribui por cartilagens, tendões, matriz óssea e
pele; mantém ainda a estrutura e elasticidade do sistema vascular e de todos os órgãos.
- α-queratina (α-hélice), componente da epiderme dos vertebrados e estruturas
relacionadas, como cabelo, lã, chifres, unhas, cascos, bicos e penas. Nessas proteínas é
freqüente a formação de pontes dissulfeto entre resíduos de cisteína adjacentes,
conferindo grande estrutura as fibras. O padrão de distribuição destas pontes determina o
grau de ondulação do cabelo e da lã. As β-queratinas (β-preguiada) são as fibras
formadas por empilhamento de folhas β- preguiada, como acontece na fibroína da seda e
das teias de aranha).
- elastina.
b) proteínas globulares: que tendem a ser estruturalmente complexas, adquirem forma
final aproximadamente esférica, são geralmente solúveis em água e desempenham
diferentes funções dinâmicas. Ex: enzimas, albumina, globulinas, hemoglobina
.
Figura 13 – Colágeno (proteína fibrosa)
Figura 14 – Enzima (proteína globular)
62
3.3. Graus de estruturação
Uma proteína ou um polipeptídeo, pode se apresentar em diferentes graus de
estruturação (Figura 15) que são mantidas por diversos tipos de ligação e/ou interações
entre os vários grupos funcionais dos aminoácidos que compõem a proteína, constituídas
de por quatro níveis: a) estrutura primária, b) secundária, c) terciária e d) quaternária.
Esses diferentes níveis de organização estrutural são encontrados nas proteínas
globulares.
Figura 15 – Graus de estruturação das proteínas
63
a) Estrutura primária: se caracteriza por apresentar apenas ligações covalentes entre os
aminoácidos, formando polímeros de cadeias distendidas ("random coil"). A estrutura
primária pode variar em 3 aspectos, definidos pela informação genética da célula:
número, seqüência e natureza dos aminoácidos. A estrutura primária da proteína resulta
em uma longa cadeia de aminoácidos semelhante a um "colar de contas", com uma
extremidade amino terminal (-NH2) e uma extremidade carboxi terminal (-COOH). A
estrutura primária de uma proteína é destruída por hidrólise química ou enzimática das
ligações peptídicas, com liberação de peptídeos menores e aminoácidos livres
Figura 16 – Estrutura primária da proteína
b) Estrutura secundária: é mantida pelas ligações ou pontes de hidrogênio, que podem
ser intramolecular ou (α-hélice) ou intermolecular (β-preguiada). Apesar das pontes de
hidrogênio serem consideradas fracas, o elevado número destas ligações confere grande
estabilidade a essas estruturas. A maioria das proteínas exibe os dois tipos de estrutura
secundária. Ex: mioglobina, com 8-% da cadeia polipeptídica organizada em α-hélice.
α-hélice: é caracterizada por uma translação ao redor de um eixo central paralelo
às ligações de hidrogênio, com giros de 5,4A. Um giro completo da α-hélice envolve 3,6
resíduos de aminoácidos. Portanto a translação por resíduo é de aproximadamente 1,5A,
e a rotação por resíduo é de 100 graus. As α-hélices de giro para a direita são mais
estáveis, portanto as que predominam (Figura 17).
β-preguiada/foliar: resultam de ligações de hidrogênio intermoleculartes e podem
ser de dois tipos: paralelas e antiparalelas. As paralelas apresentam todos os terminais
NH2 das cadeias na mesma extremidade, enquanto as antiparalelas os terminais -NH2 e COOH das caseias são alterados. Ao contrário do que se observa na α-hélice, na βpreguiada as ligações de hidrogênio são orientadas quase que perpendicularmente ao
eixo principal da cadeia polipeptídica e é quase completamente estendida em vez de
fortemente enrolada (Figura 18).
Figura 17- Estrutura α-hélice
Figura 18- Estrutura β-preguiada
64
c) Estrutura terciária: se refere ao arranjo espacial da cadeia polipeptídica (dobramento ou
formação de laços), já dotada ou não de estrutura secundária. Na determinação da
estrutura terciária e na determinação da conformação de uma proteína entram forças de
naturezas diversas (Figura 19), tais como:
⇒ Pontes de hidrogênio: estabelecidas entre grupos R de aminoácidos polares ou sem
carga. Por exemplo serina e treonina, que apresentam grupo hidroxila, podem formar
pote de hidrogênio com asparagina e glutamina, que apresentam o grupo carbonila. As
pontes de hidrogênio da estrutura terciária, naturalmente, não apresentam um padrão
regular de disposição, ao contrário do que ocorre com as pontes de hidrogênio da
estrutura secundária, com as quais, não deve ser confundidas.
⇒ Interações hidrofóbicas: formadas entre cadeias laterais hidrofóbicas dos aminoácidos
apolares. Estas cadeias não interagem com a água e aproximam-se, reduzindo a área
apolar exposta ao solvente. As interações hidrofóbicas não resultam de qualquer atração
entre os grupos apolares, mas são conseqüência da presença da molécula protéica no
ambiente aquoso celular. Naturalmente, a maioria das cadeias hidrofóbicas localiza-se no
interior apolar da molécula protéica. As interações hidrofóbicas são as mais importantes
para a manutenção da conformação espacial das proteínas, dado o grande número (oito)
de aminoácidos hidrofóbicos.
⇒ Ligações iônicas ou salinas: incluem-se nesta categoria, interações de grupos com
cargas opostas, como os presentes nos aminoácidos básicos (lisina, arginina e histidina)
e ácidos (aspartato ou ácido aspártico e glutamato ou ácido glutâmico). A energia de
formação das ligações iônicas tem magnitude semelhante à das ligações dos grupos
iônicos com a água, não contribuindo, portanto, para a formação da molécula protéica
quando estão localizados na superfície. Estas ligações, entretanto, tem importância
fundamental para o dobramento da cadeia polipeptídica quando ocorrem no interior apolar
da proteína.
Figura 19 - Estrutura terciária estabilizada por ligações não covalentes: (1)
interação hidrofóbica, (2) pontes de hidrogênio e (3) ligação iônica
Fonte: Marzzoco e Torres (2007).
65
⇒ Ponte dissulfeto: Além das 3 ligações não covalentes acima descritas, a estrutura
protéica pode ser estabilizada por uma ligação covalente, a ponte dissulfeto -S-S- (Figura
20). Ela é formada, entre dois resíduos de cisteína, por uma reação de oxidação
catalisada por enzimas específicas. Ex: insulina, que apresenta 3 pontes dissulfeto
Figura 20- Pontes dissulfeto
d) Estrutura quaternária: são formadas de mais de uma unidade estrutural (subunidades).
Cada unidade estrutural pode conter, por sua vez, um ou mais polipeptídios. Cada
polipeptídio apresenta o seu próprio grau de estruturação (primário, secundário, terciário).
As subunidades estruturais ligam-se umas nas outras por ligações não covalentes. A
hemoglobina (Fig. 22), por exemplo, é formada por quatro cadeias polipeptídicas
(semelhantes à mioglobina Fig. 21), iguais unidas duas a duas, chamadas de α e β,
associadas sobretudo por ligações hidrofóbicas, pontes de hidrogênio e eletrostáticas.
Figura 21– Mioglobina (estrutura 3°)
Figura 22- Hemoglobina (estrutura 4°),
contém 574 resíduos de aas
66
3.4. QUALIDADE DA PROTEÍNA
A qualidade da proteína é muito importante, uma vez que os alimentos deficientes
em um ou mais aminoácidos essenciais podem prejudicar o processo da síntese protéica
e, conseqüentemente, não satisfazer às necessidades do organismo, prejudicando o
crescimento de crianças e manutenção da saúde do adulto (Quadro 14).
Proteína Completa: Aquela que tem todos os aminoácidos essenciais em
quantidades suficientes para preencher as necessidades humanas.
Digestibilidade: Medida da quantidade de aminoácidos absorvidos de uma dada
proteína.
Proteína de alta qualidade: Aquela proteína que é completa e tem boa
digestibilidade.
Proteína de referência: Aquela proteína que é usada como padrão para mensurar a
qualidade de outras proteínas.
Quadro 14- Composição de aminoácidos essenciais dos produtos: isolado protéico de
soro de leite bovino (WPI), gelatina bovina e mistura 60:40 WPI/gelatina base protéica,
comparada aos padrões de referência da FAO/WHO (1990).
Aminoácidos
(g.100 g-1 de
proteína)
Padrão
FAO/WHO
Pré-escolares
Padrão
FAO/WHO
Adultos
WPI
Gelatina
Mistura
60:40
Treonina
3,4
0,9
4,7
1,9a
3,6
Metionina +
2,5
1,7
8,0
*
3,6
Cistina
Valina
3,5
1,3
4,8
2,3a
3,6
Leucina
6,6
1,9
12,8
3,1a
9,2
Isoleucina
2,8
1,3
5,0
1,5a
3,6
Fenilalanina
6,3
1,9
6,8
2,5a
5,3a
+ Tirosina
Lisina
5,8
1,6
10,2
3,9a
8,0
Histidina
1,9
1,6
2,0
0,8b
1,4b
Triptofano
1,1
0,5
2,8
*
1,8
Escore Aminoácidos Essenciais (EAE)
1,0
0
0,8
* Aminoácido não detectado na análise.
a- aminoácidos limitantes apenas para crianças; b- limitantes tanto para crianças como
para adultos.
Fonte: Roman & Sgarbieri, 2007.
67
Recomendações Nutricionais
- Recomendações nutricionais: 5-20% de 1-3 anos de idade; 10-30% de 4-18 anos
de idade e 10-35% para maiores de 18 anos (DRI, 2002).
- Adaptação à baixa ingestão de proteína: todos os indivíduos saudáveis são
capazes de ajustar a excreção de N total para equilibrar sua ingestão às variações, mas a
baixa ingestão em longo prazo causa depleção da massa magra, podendo levar a morte.
- A ingestão acima dos limites recomendados é acompanhada por elevação da
uréia, e sua excreção faz a perda de cálcio do organismo, podendo prejudicar em longo
prazo a massa óssea e formação de litíase renal.
- Proteína bruta da dieta: 6,25g de proteína = 1g de N (em alimentos mede-se o N e
depois se multiplica por 6,25 ou por um fator específico de conversão).
4. PROPRIEDADES DAS PROTEÍNAS
a) Propriedades elétricas
O comportamento de uma proteína globular em solução ácida ou básica é
determinado em grande parte pelo número e natureza dos grupos ionizáveis nos radicais
R dos resíduos de aminoácidos. Os grupos amínicos (-NH2) e carboxílicos (-COOH)
terminais das cadeias polipeptídicas exercem pouca influência.
A intensidade de ionização dos grupos funcionais dos radicais R será influenciada
pela natureza dos radicais R circunvizinhos.
As proteínas, do mesmo modo que os peptídeos e aminoácidos, possuem pHs
isoelétricos característicos nos quais elas se comportam como íons dipolares, não
possuindo cargas positivas ou negativas em excesso.
b) Solubilidade:
A solubilidade de uma proteína depende do número e do arranjo de cargas na
molécula, que por sua vez depende da composição em aminoácidos. Partes não protéicas
da molécula, como lipídeos, carboidratos, fosfatos, etc., também afetam a solubilidade.
A solubilidade da proteína pode ser modificada por fatores como:
• pH
o pH < pI < pH → aumenta a solubilidade da proteína;
o pH = pI → diminui a solubilidade da proteína tendendo a precipitação.
• Força iônica
o Em baixas concentrações de sais (baixa força iônica), a solubilidade em
geral aumenta, pois os íons salinos tendem a se associar às proteínas
contribuindo para uma hidratação e/ou repulsão entre as moléculas,
aumentando a solubilidade “salting in”.
o Em elevadas concentrações salinas, os íons competem com a proteína pela
água, ocasionando perda de água de hidratação, atração mútua entre as
moléculas e formação de precipitado “salting out”.
• Temperatura
o A maioria das proteínas é solúvel a temperatura ambiente e a solubilidade
tende a aumentar à medida que se eleva a temperatura até 40 a 50oC. Além
destas temperaturas a proteína começa a desnaturar e a solubilidade
diminui.
68
c) Tampão:
Um tampão é uma solução que resiste a mudanças de pH quando se adicionam
quantidades moderadas de ácido ou base. Pode ser constituído de um ácido fraco e seu
ânion, tal como ácido acético e íon acetato. Ou também de uma base fraca e seu cátion
correspondente, tal como amônia e íon amônio. Os principais tampões biológicos são o
fosfato, as proteínas e o bicarbonato.
No nosso corpo humano, o pH é mantido ao redor de 7,4 por vários tampões.
Estes, impedem a acidose, um pH sanguíneo abaixo de 7,35; assim como alcalose, um
pH acima de 7,45. O principal tampão do plasma sanguíneo consiste em ácido carbônico,
H2CO3 e bicarbonato HCO3- (íon hidrogeno-cabonatado).
O efeito tamponante das proteínas é devido ao grupo ionizável dos aminoácidos
(-COO-, -NH3+, etc.), que são ácidos fracos. Entretanto os valores de pH desses grupos
são muito distantes de 7,4. Os únicos aminoácidos que apresentam um grupo com pH
compatível com o tamponamento a pH fisiológico são a histidina e cisteína.
Adicionalmente as proteínas exercem efeito tamponante muito discreto no plasma,
por estarem presentes em baixas concentrações.
d) Desnaturação protéica
Proteínas são chamadas nativas quando estão em sua conformação tridimensional
funcional, podendo adquirir a forma desnaturada quando submetida a tratamentos como
aquecimento, agitação, radiações ultravioleta e visível, raios x. Ou provocados por
agentes químicos, como ácidos e bases fortes, determinados solventes orgânicos
miscíveis em água (etanol, acetona), substâncias anfipáticas como detergentes ou
soluções concentradas de uréia e cloreto de guanidina, além de metais pesados (chumbo
e mercúrio), que não afetam a seqüência de aminoácidos, mas causam transformações
na molécula. Portanto, a desnaturação protéica resulta no desdobramento e na
desorganização das estruturas secundárias e terciária, sem que ocorra hidrólise das
ligações peptídicas, ou seja, ocorre a quebra das ligações não covalentes.
Proteínas assim modificadas são denominadas proteínas desnaturadas, e o
fenômeno são denominados de desnaturação das proteínas. Aparentemente a
desnaturação tem como resultado uma mudança na conformação, rompendo ligações que
estabilizam esta conformação, causando assim um desenrolamento das cadeias
peptídicas, e em conseqüência as proteínas se tornam menos solúveis e quimicamente
mais reativas.
A desnaturação pode, sob condições ideais, ser reversível; neste caso, a proteína
dobra-se novamente em sua estrutura original quando o agente desnaturante for
removido. Esse processo chama-se renaturação. Entretanto, as proteínas, em sua
maioria, uma vez desnaturadas, ficam permanentemente alteradas (irreversíveis). Ex:
albumina do ovo (quando aquecida) e a caseína (quando o leite é acidificado por
crescimento bacteriano).
O desenrolamento das cadeias peptídicas causados pela desnaturação torna essas
cadeias mais esticadas, causa um aumento da viscosidade, alterações em suas
propriedades químicas, destruição de propriedades fisiológicas e funcionais tecnológicas
(solubilidade, espuma, emulsão, geleificação).
Distúrbios no processo de enovelamento da cadeia protéica, e a consequente
agregação de moléculas, estão envolvidos em diversas condições patológicas, tais como:
doença de Alzheimer, doença de Parkinson, e outras doenças neurodegenerativas,
infecções, câncer etc.
Uma mutação que resulte na substituição de um aminoácido em uma posição
crítica na molécula da proteína pode ter conseqüências danosas para o desempenho de
69
sua função. Por exemplo a hemoglobina, quando desoxigenada, agregam-se a valina e
formam um precipitado fibroso que distorcem as hemáceas. Estas células alteradas
obstruem os capilares, impedindo a oxigenação adequada dos tecidos, ocasionando
anemia grave. A doença é conhecida como anemia falciforme. Esta é uma das
hemoglobinopatias.
5. MÉTODOS PARA A DETERMINAÇÃO/PURIFICAÇÃO DE PROTEÍNAS
Os métodos mais comumente usados para a determinação quantitativa de
proteínas baseiam-se em três princípios diferentes:
a) Determinação do nitrogênio seguido da multiplicação por um fator de conversão de
porcentagem de nitrogênio em porcentagem de proteína (método de Kjeldahl).
b) Reação dos grupos ou sítios específicos da proteína com diversos reagentes
originando complexos (cromóforos) que adsorvem em diferentes faixas de
comprimento de onda da luz visível; incluem a reação de Biureto, reação de FolinDenis-Ciocalteau (Lowry) e complexação com corantes.
c) Absorção de luz ultravioleta no comprimento de ondas 278-280nM.
A purificação de uma proteína inicia-se com a liberação da proteína do material
biológico onde ela ocorre, pelo rompimento dessas estruturas (tecidos, células, bactérias)
uma vez conseguida uma preparação contendo a proteína, esta pode ser separada por
métodos que se baseiam em propriedades características, tais como: solubilidade,
tamanho, carga elétrica e afinidade por determinados compostos. Isso depende das
características da proteína. Freqüentemente o primeiro passo é precipitação por sais ou
solventes orgânicos sendo a separação baseada na diferença de solubilidade. No entanto
essas técnicas permitem uma separação parcial e devem ser seguidas por outras mais
seletivas como a cromatografia (exclusão/filtração em gel, troca iônica e de afinidade) e a
eletroforese.
6. BALANÇO NITROGENADO (BN)
É a diferença entre a quantidade de nitrogênio ingerido e o valor excretado por
urina e fezes. Este valor pode ser positivo, negativo ou igual a zero, representando o
equilíbrio. Ou seja, é um valor de referencia para acompanhar o estado de evolução
nutricional de um paciente. As necessidades protéicas vão variar de acordo com a idade,
sexo e condição metabólica do indivíduo.
BN+ → entra no organismo mais N2 do que sai, isso é verificado durante o crescimento ou
a recuperação de uma enfermidade debilitante.
BN= → quando a quantidade de N2 produzida na dieta e a mesma perdida pelos rins e
fezes, ocorre em todos os indivíduos adultos normais.
BN - → Um valor negativo pode assinalar que o nitrogênio está sendo ingerido em
quantidade menor do que é necessário ou que as perdas nitrogenadas estão elevadas.
Nestas condições o nitrogênio deve ser suprido com ingestão de proteínas, peptídeos ou
aas por via enteral ou parenteral.
70
-
7. REAÇÕES, ALTERAÇÕES x PROTEÍNAS ALIMENTARES
Reação de Mailard
Uma reação que ocorre freqüentemente em alimentos, que diminui a
biodisponibilidade de aminoácidos é a do tipo Maillard (RM), que ocorre entre o grupo
carbonilo de um açúcar redutor e o grupo amínico de um aminoácido. No processamento
dos alimentos a RM pode ser útil, como o desenvolvimento de produtos da reação que
conferem sabor, cor e aroma desejáveis, por exemplo, doce de leite, massas (pães,
bolos) assados, etc. Já por outro lado, temos a redução do valor nutricional do produto
devido à utilização dos aminoácidos e proteínas na reação, que se tornam indisponíveis.
Lisina, metionina e aminoácidos N-terminal de proteínas reagem com açúcares redutores
e perdas substanciais desses aminoácidos ocorrem quando submetidos a tratamentos
drásticos. Apesar de estudada há muitos anos, ainda não se entendeu completamente a
RM. Os compostos produzidos pela RM que recebem maior atenção e estudo são as
melanoidinas, que são complexantes de metais e sua cor varia de marrom claro até preto.
Inibidores de enzimas proteolíticas
Outras substâncias presentes nos alimentos são os inibidores de enzimas
proteolíticas (tripsina ou quimiotripsina) que estão presentes em alta concentração em
grãos de leguminosas (feijões), que inibem as enzimas digestivas protéicas, diminuindo
sua biodisponibilidade. Estes inibidores são termolábeis, desta forma, o processo de
cocção reduz sua atividade, melhorando a biodisponibilidade da proteína presente nestes
grãos. Ressalta-se que também se encontra inibidores de enzimas proteolíticas em
amendoim, trigo, cevada, centeio, batata-inglesa e clara de ovo.
Alergia à proteína do leite de vaca
A alergia ao leite de vaca é uma desordem complexa e tem sido definida como uma
reação adversa mediada por mecanismos imunológicos ativados por uma ou mais
proteínas do leite. A alergia ao leite de vaca pode ser dividida em dois diferentes
mecanismos imunológicos: mediada por IgE (mais comuns em crianças) e não IgE (mais
comum em adultos). As proteínas do leite mais envolvidas na alergia são as caseínas, a
beta-lactoglobulina e a alfa-lactoglobulina. As reações clínicas são as mais diversas,
principalmente reações gastrintestinais (vômitos, diarréias, náusea, cólica), bem como
reações cutâneas (dermatite atópica, urticária) e respiratórias (asma, otite, etc).
Nas proteínas do leite de vaca existem mais de 30 sítios alergênicos. A
alergenicidade das proteínas do leite pode ser alterada por processos tecnológicos e/ou
digestão. A pasteurização por aquecimento rápido (15 a 20 segundos a temperatura de 72
a 76ºC) não causa alteração na antigenicidade/alergenicidade e a pasteurização lenta
(121ºC por 20 minutos) pode reduzir a alergenicidade.
Toda alergia alimentar deve ser tratada com a exclusão do alimento alergênico da
dieta, neste caso, leite e derivados, bem como formulações que contenham leite de vaca,
como bolos, pães, sorvetes, etc. As possibilidades de substituição do leite de vaca são o
leite de cabra, pois têm alguns sítios alergênicos diferentes do leite de vaca ou a soja,
71
mas a soja também tem sítios alergênicos. Desta forma, o ideal são as fórmulas
extensivamente hidrolisadas que são consideradas hipoalergênicas.
A alergia à proteína do leite de vaca é a mais comum, porém existe alergia à soja,
amendoim, crustáceos, etc. Na indústria de alimentos há necessidade de informar nos
rótulos que pode conter traços destes ingredientes potencialmente alergênicos quando
houver contaminação cruzada durante a produção.
A alergia ao leite de vaca se dá pela manifestação alérgica do organismo contra a
proteína do leite. Esta doença não deve ser confundida com a intolerância à lactose, que
é a ausência da enzima lactase, portanto uma reação do organismo ao carboidrato
presente em todos os leites.
Doença celíaca
A doença celíaca é considerada uma desordem auto-imune, na qual o organismo
ataca a si mesmo. É uma condição crônica que afeta principalmente o intestino delgado,
caracterizada por intolerância permanente ao glúten, proteína encontrada no trigo,
centeio, cevada, aveia e malte. Nos indivíduos afetados, a ingestão de glúten causa
danos às microvilosidades do intestino delgado.
Os sintomas podem surgir em qualquer idade após o glúten ser introduzidos na
dieta, sendo mais comum seu diagnóstico na infância. Os sintomas intestinais incluem
diarréia crônica ou prisão de ventre, inchaço e flatulência, irritabilidade, e pouco ganho de
peso. Os pacientes podem apresentar atraso de crescimento e da puberdade, anemia da
carência de ferro, osteopenia ou osteoporose, exames anormais de fígado, e uma
erupção na pele que faz coçar chamada dermatite herpetiforme. A doença celíaca
também pode não apresentar nenhum sintoma. Todo alimento industrializado que contém
glúten deve disponibilizar esta informação no rótulo.
8. DOENÇAS HEREDITÁRIAS
Mais de 1.400 doenças genéticas humanas já foram identificadas como resultantes
da produção de proteínas defeituosas, em que a cadeia normal de aminoácidos – o
componente basal das proteínas – está alterado.
Alcaptonúria :
-
Fenilcetonúria:
-
72
Albinismo :
-
Hiperamonemia:
-
9. DIGESTÃO
As proteínas tem sua digestão iniciada no estômago (pepsina, que é ativa em pHs
baixos, próximo de 1,0), mas melhor desenvolvida em sua maior parte, no duodeno e
jejuno (do intestino delgado) sob a ação de proteases pacreáticas: quimotripsina (aas
aromáticos), tripsina (aas básicos), elastase (aas afiláticos), carboxipeptidases (aas
carboxi-terminal), aminopeptidases (aas a partir de N-terminal) e dipeptidases.
A digestão das proteínas se inicia no estômago, onde o ácido clorídrico ativa o
pepsinogênio, dando origem a pepsina. A pepsina hidrolisa as proteínas em proteoses e
peptonas. No duodeno, a enzima enteroquinase que estimula a liberação de tripsinogênio
(forma inativa) pelo pâncreas. A tripsina (forma ativa) os hidrolisa em polipeptídeos. As
enzimas proteolíticas entéricas produzidas na borda em escova hidrolisam os
polipeptídeos em aminoácidos, dipeptídeos e tripeptídeos; 99% deles são absorvidos ao
final do jejuno.
Os aminoácidos são liberados na circulação e são destinados para: a síntese de
proteínas e enzimas, sínteses de substancias nitrogenadas, síntese de outros
aminoácidos e para o catabolismo.
O pool de aminoácidos no sangue está sempre em equilíbrio com a proteína tissular.
Aminoácidos não utilizados imediatamente após a síntese protéica são perdidos, já que
não há estocagem de proteínas. Assim, o total de proteínas no corpo de um adulto
saudável é constante, de forma que a taxa de síntese é sempre igual à de degradação. O
excesso de ingestão protéica é transformado em energia, e se não for usada, será
transformada em triglicérides e armazenada no tecido adiposo.
A utilização protéica depende da disponibilidade de energia. Ocorre melhor balanço
nitrogenado com adição de energia. O aumento de energia aumenta a síntese protéica e
diminui a oxidação de aminoácidos. Ou seja, o consumo de alimentos de fontes protéicas
deve ocorrer com alimentos fontes de energia (preferencialmente carboidratos), para
melhor utilização da proteína pelo organismo humano.
73
www.mapasmentais.com.br - Proteínas
74
ATIVIDADES: PROTEÍNAS
1) Defina o que são proteínas? Como são compostas quimicamente?
2) Aponte as três categorias e subcategorias em que as proteínas podem ser
classificadas, em forma de organograma.
3) Cite cinco funções que as proteínas podem desempenhar exemplificando cada uma
delas.
4) O que é a estrutura primária de uma proteína?
5) Explique as principais diferenças entre as estruturas (1º, 2º, 3º e 4º) que formam as
proteínas.
6) Analise a seguinte frase: "Toda a enzima é uma proteína, mas nem toda proteína é
uma enzima". Você concorda com ela? Explique.
75
7) O que são pontes dissulfeto?
8) Em que consiste a desnaturação protéica? Cite 5 substâncias que atuam como
agentes desnaturantes. Aponte um ponto positivo e um negativo da desnaturação,
relacionada com a área de alimentos.
9) O que significa dizer que a proteína é de alta qualidade?
10) Quais são os três métodos utilizados para a determinação de proteínas.
76
ENZIMAS
1. DEFINIÇÃO
São catalisadores orgânicos que atuam em sistemas biológicos em condições
suaves de temperatura e pH e determinam o perfil de transformações químicas que
ocorrem em soluções aquosas. O extraordinário poder catalítico e a alta especificidade
das enzimas são suas características mais marcantes, correspondendo a proteínas
altamente especializadas. Quase todas as enzimas conhecidas são proteínas, sendo
algumas moléculas de RNA cataliticamente ativas, denominadas ribozimas.
Quimicamente são proteínas com estrutura especial, contendo um centro ativo
denominado APOENZIMA e algumas vezes apresentando grupo prostético, denominado
COENZIMA; a este conjunto dá-se a denominação de HALOENZIMA.
Em alguns casos as enzimas podem estar ligadas a moléculas orgânicas de baixo
peso molecular ou íons metálicos cuja função é ativá-las, sendo denominados
COFATORES.
As enzimas são substâncias sólidas, difíceis de serem cristalizadas. São
geralmente solúveis em água e álcool diluído, e quando em solução são precipitadas por
sulfato de amônio, álcool e ácido tricloroacético. São inativadas pelo calor.
2. FUNÇÃO
As enzimas atuam como catalisadores biológicos, aumentando a velocidade das
reações por meio da diminuição de suas energias de ativação, mantendo, entretanto,
invariável o seu equilíbrio químico. A ligação da enzima com o substrato se dá em uma
região pequena e definida da molécula denominada sítio ativo. A integridade da molécula
enzimática protéica é necessária para a manutenção deste sítio ativo, ou seja, para a
ação catalítica (Figura 23).
Figura 23 – Enzima
Quadro 15- Enzimas cuja [ ] plasmática é alterada por determinadas condições
patológicas.
MOLÉSTIAS
ENZIMAS
Hepatite
Transaminases
Enfarto do miocárdio
Creatinoquinase, lactato desidrogenase
Pancreatite
Amilase, lípase
Embolia pulmonar
Transaminases
Processos obstrutivos biliares
Fosfatase alcalina, transaminases
77
3. CLASSIFICAÇÃO
Em função da ambigüidade detectada nas nomenclaturas e do número crescente
de enzimas estudadas, uma classificação para as enzimas foi proposta pela Comissão
Internacional de Enzimas, organizando-as em seis classes de acordo com as reações que
catalisam, seguindo-se subclassificações conforme outros critérios. Todas receberam um
nome sistemático e uma identificação de quatro dígitos precedidas pela sigla E.C.
Em 1995 uma comissão de nomenclatura e classificação de enzimas nomeada
pela União Internacional de Bioquímica, estabeleceu normas. Isto consiste em conferir
para cada enzima um código de 4 algarismos separados por pontos. O primeiro número
corresponde à classe a que a enzima pertence e vai de 1 a 6. O segundo algarismo
determina a subclasse, o terceiro define com exatidão o tipo de atividade enzimática e o
quarto é o número da enzima dentro da sua subclasse.
As enzimas podem também ser designadas por nomes que obedecem a uma
sistemática, constituída por dois nomes, um indicando o substrato e o outro a natureza da
reação. Como estas nomenclaturas são muito complexas, na maioria das vezes, as
enzimas são designadas por nomes triviais. Por exemplo a enzima 3.2.1.2. é a α-1,4glucan-malto-hidrolase é conhecida comumente por β-amilase.
Oxidoredutases: Relacionadas com reações de óxido-redução em sistemas
biológicos, portanto com os processos de respiração e fermentação. São as
hidrogenases, as oxidases, as peroxidases que usam o peróxido de hidrogênio como
agente oxidante, as hidroxilases que introduzem hidroxilas em moléculas insaturadas e as
oxigenases que oxidam o substrato a partir de O2.
Transferases: Catalisam a transferências de grupos de um composto a outro. A
metilação em sistemas biológicos é feita por esta classe de enzimas. Transaldolase e
transcetolase transferem gliceraldeído e 1,3-dihidroxicetona, acetiltransferase transfere
acetilas e alquiltransferase, transferem alquilas. As glicosiltransferases transferem
resíduos de açúcares, e há outras que transferem nitratos e fosfatos.
Hidrolases: Nesta classe incluem-se enzimas de baixa especificidade como as
esterases e tioesterases, que hidrolisam um número grande de ésteres e tioesteres.
Como também algumas de alta especificidade como as glicosilfosfatases e peptidases
(proteolíticas), são também hidrolases as fosfatases e as pirofosfatases.
Liases: As enzimas desta classe modificam o substrato, cindindo compostos ou
removendo grupos da molécula do mesmo. Como exemplo temos as descarboxilases: as
cetoácidoliases, que sintetizam ácidos di e tri-carboxílicos e as hidroliases que desidratam
hidroxiaminoácidos, com posterior rearranjo da molécula.
Isomerases: Enzimas que catalisam reações de isomerização. Racemização e
epimerização são causadas por racemase e epimerase, e as cis-trans-isomerases mudam
a configuração das duplas ligações. Aqui se incluem as oxiredutases intramoleculares que
interconvertem aldoses e cetoses, oxidando uma hidroxila desses compostos e reduzindo
a carbonila adjacente, as transferases intramoleculares também denominadas mutases
que apenas mudam a posição de determinados grupos da molécula do substrato.
Ligases: Enzimas que causam a degradação da molécula de ATP, usando a energia
liberada nesta reação para sintetizar novos compostos unindo duas moléculas.
78
Quadro 15 – As seis classes de enzimas e as reações que catalisam
Fonte: Marzzoco e Torres (2007).
79
4. ESPECIFICIDADE ENZIMÁTICA
Embora toda a enzima seja necessária para o papel catalítico, a ligação com o
substrato dá-se apenas em uma pequena porção da enzima, chamado de CENTRO
ATIVO, que é formado por alguns dos resíduos de aminoácidos presentes na cadeia e
que se aproximam pelos dobramentos que constituem a estrutura terciária da proteína.
Portanto, o centro ativo constitui uma cavidade aberta sobre a superfície da
molécula globular e permite à enzima reconhecer seu substrato (comparado a um
conjunto chave – fechadura – key and lock – Fisher 1894). De fato uma molécula para ser
substrato de uma determinada enzima deve ter forma espacial adequada para alojar-se
no centro ativo da enzima, como também grupos químicos capazes de estabelecer
ligações precisas com os radicais do mesmo.
Como cada enzima possui uma organização estrutural específica, o seu centro
ativo permite a ligação apenas do seu substrato, trazendo grande especificidade para a
catálise enzimática.
BAIXA ESPECIFICIDADE: quando essa propriedade existe apenas em relação a
tipos de ligação. Ex.: lipase – que hidrolisa ligações álcool-ácido de quase todos os
ésteres orgânicos.
ESPECIFICIDADE ABSOLUTA: quando a enzima atua somente sobre um
determinado composto. Ex.: urease – hidrolisa a uréia, porém nenhum de seus derivados
ou a tripsina que hidrolisa ligações peptídicas formadas por grupos carboxílicos dos
aminoácidos negativos.
ESPECIFICIDADE DE GRUPO: enzima é capaz de atuar sobre substratos com
uma ligação química específica, como a leucina-aminopeptidase que catalisa hidrólise de
diferentes ligações peptídicas ou a quimotripsina que hidrolisa ligações formadas por
grupos carboxílicos de metionina, aspargina, glutamina e leucina.
ESTÉREO ESPECIFICIDADE: é uma especificidade ótica, assim a maioria das
enzimas hidrolisam apenas ligações peptídicas de L-aminoácidos, já que as proteínas são
formadas por L-aminoácidos.
ESPECIFICIDADE ORGÂNICA: está relacionada à origem orgânica da enzima.
Assim enzimas com o mesmo tipo de atividade, dependendo da origem, pode diferir entre
si. Esta diferença é causada pela estrutura das proteínas que formam a enzima. Por
exemplo a α-amilase do pâncreas do porco é idêntica à encontrada na saliva, mas
diferente da α-amilase hepática.
ESPECIFICIDADE CIS-TRANS: enzimas que atuam somente sobre um isômero
cis-trans. A fumarase adiciona facilmente água apenas no ácido com configuração trans
(ácido fumárico)
5. MEDIDA DE ATIVIDADE ENZIMÁTICA
Habitualmente é expressa em Unidades Internacionais. Uma UI corresponde a
quantidade de enzima capaz de formar 1µMol de produto por minuto em condições ótimas
(pH, temp. etc.)
ATIVIDADE ESPECÍFICA: seria o número de unidades de enzima por miligrama
de proteína.
80
6. CINÉTICA DAS REAÇÕES ENZIMÁTICAS
Concentração de Substrato: Nas células a [S] do substrato chega a ser até 106 vezes
maior que a [E]. Apesar desta diferença, porém, nem todas as moléculas de enzimas
combinam-se com o substrato, estabelece-se isto sim um equilíbrio entre as [S], [E], [ES],
com [ ] definidas e constantes.
Concentração de Enzima: Ainda considerando que a [S] é muito maior que a [E], a
velocidade de uma reação enzimática será sempre proporcional a sua concentração.
Desvios da linearidade podem ocorrer devido a: presença de inibidores na própria solução
de enzima, presença de substâncias tóxicas, presença de ativadores, ente outros.
Efeito do pH: A ação catalítica de uma enzima é alcançada dentro de limites muito
estreitos de pH. Cada reação tem o seu pH ótimo, que para a maioria das enzimas se
encontra entre 4.5 e 8.0. Algumas enzimas que catalisam reações com diferentes
substratos podem apresentar mais de um pH ótimo. Porém, grandes variações de pH
normalmente determinam a desnaturação da enzima.
Efeito da Temperatura: Semelhante às reações químicas, as reações enzimáticas tem a
velocidade aumentada com o aumento da temperatura, porém acima de determinadas
temperaturas, esta velocidade diminui, devido ao fato de ocorrer desnaturação da enzima.
Em geral as enzimas reagem muito lentamente em temperaturas de
subcongelamento, sendo que sua atividade é máxima até perto de 45º. A partir desta
temperatura inicia a sua inativação.
Efeito da Água:Seria de se esperar que em presença de teor de água as enzimas fossem
inativas. No entanto, várias alterações são observadas no aroma de determinados
alimentos desidratados, a menos que antes do processamento desses alimentos, as
enzimas sejam inativadas.
Efeito da Pressão: É pouco significativa para a velocidade das reações enzimáticas. Na
desnaturação protéica, ocorre uma expansão de volume resultante do desdobramento da
cadeia, a aplicação de pressão em princípio, deve reduzir a desnaturação pelo calor.
Porém, devemos lembrar que altas pressões também podem provocar a desnaturação da
proteína por alteração da estrutura.
Quadro 16– Comparação das enzimas (catalisadores biológicos) com os catalisadores
químicos.
Característica
Enzimas
Catalisadores
Químicos
81
7. MECANISMOS DE AÇÃO E INIBIÇÃO
Diferentes mecanismos de ação enzimática foram descritos, e o modelo proposto
por Michaelis-Menten explica as propriedades cinéticas de um grande grupo de enzimas.
Estes modelos avaliam as taxas de reação e suas alterações em função de parâmetros
experimentais, como concentrações de substrato e enzimas. A catálise enzimática ocorre
em duas etapas. Na primeira, a enzima liga-se reversivelmente ao substrato formando um
complexo enzima-substrato e na segunda fase é liberado o produto e a enzima volta a
forma livre.
Como as propriedades das enzimas baseiam-se nas medidas de velocidade da
reação catalisada, esta velocidade pode ser definida pela quantidade de produto formado
em um dado tempo.
Algumas enzimas regulatórias, denominadas alostéricas, regulam a velocidade de
vias metabólicas pela ligação não covalente e reversível de um modulador a um sítio
regulador ou alostérico, ou por modificações covalentes de um grupo funcional específico
necessário para a atividade.
Inibidores enzimáticos
As enzimas podem ser inibidas por moléculas específicas ou íons. Há inibidores
enzimáticos reversíveis ou irreversíveis. Os inibidores reversíveis são classificados em
competitivos e não-competitivos. Os competitivos competem com o substrato pelo sítio
ativo da enzima. Já os inibidores não competitivos ligam-se a radicais aminoacídicos que
não pertencem ao sítio ativo e esta ligação altera a estrutura enzimática.
inibidor reversível: Compostos com capacidade de se combinar de forma reversível com
determinadas enzimas inibindo sua atividade.
inibidor irreversível: Neste caso, ocorre uma combinação entre o composto e a enzima
irreversível, formado por ligações covalente, não podendo haver separação por processos
como diálise ou diluição.
inibidor competitivo: Compostos que competem com o substrato pelo centro ativo da
enzima, normalmente apresentam estruturas semelhantes as do substrato. Isto pode ser
evitado aumentando-se a [S].
inibidor não competitivo: Combinam-se com o complexo ativado, impedindo que este
complexo de origem ao produto final e liberação da enzima.
Enzimas imobilizadas
Este procedimento é utilizado na preparação de alimentos quando não se deseja
que continue havendo ação enzimática. Neste processo a enzima é ligada a uma matriz
insolúvel em água, normalmente um polímero inativo. As ligações enzima-matriz pode se
dar por ligações covalentes ou não.
Exemplo: preparação de xaropes ricos em glucose e maltose, que podem ser
preparados passando-se uma solução de amido através de uma coluna contendo βamilase e glucoamilase.
Enzimas imobilizadas são mais resistentes a temperaturas elevadas.
82
8. ENZIMAS EM ALIMENTOS
Para que os alimentos processados se conservem por mais tempo é necessário,
além da destruição de microrganismos, que as enzimas sejam inativadas ou bloqueadas.
São poucos os métodos que podem ser utilizados para esta inibição devido a
problemas de toxidez ou desenvolvimento de aromas indesejáveis, além de problemas
econômicos. Os principais métodos utilizados nestes casos são calor, mudanças de pH
até valores extremos, adição de sulfito ou dióxido de enxofre. O congelamento também é
bastante empregado.
A ação enzimática pode ser desejável como altamente indesejável, no
processamento e armazenamento de alimentos. Aromas de vegetais e frutas são devido a
ação enzimática sobre substratos específicos, denominados precursores de aroma.
Tioglucosidases: agindo sobre compostos tioglucosídicos existentes no repolho e
outros vegetais pertencentes a este grupo produzem compostos voláteis que dão-lhes o
aroma característico.
Alinases: agindo sobre sufóxidos pertencentes à cebola, conferem a ela o cheiro
próprio.
Papaína e bromelina: são enzimas proteolíticas (hidrolisam ligações peptídicas)
que são utilizadas para amaciamento de carnes.
Polifenoxidase: enzimas que dão origem a produtos normalmente indesejáveis.
Frutas e vegetais que contém grupos polifenólicos, quando cortados e expostos ao ar
sofrem ação desta enzima que provocam a oxidação dos grupos fenóis à ortoquinonas
que facilmente sofrem polimerização formando melaninas que são responsáveis pelo
escurecimento.
Quadro 17- Aplicações de enzimas alimentares comerciais importantes
ENZIMA
ORIGEM
APLICAÇÃO
Liquefação do amido, produção
Bacillus licheniformis
α-amilase
de álcool.
Aspergillus spp.
Produção de maltose, produção
β-amilase
Vegetal (malte)
de álcool.
Glucoamilase
Aspergillus spp.
Sacarificação do amido,
elaboração de cerveja, produtos
de panificação.
Glucosa isomerase
Bacillus coagulans
Edulcorante de xarope de milho
com alto conteúdo em frutose.
Invertase
Saccharomyces
Açúcar invertido, açúcar de
cerevisiae
confeitaria.
Renina
Estômago de ternero
Elaboração de queijos.
Renina microbiana
Mucor miehei
Elaboração de queijos.
Lipase/ esterase
Fúngico, bacteriano,
Maturação de queijos,
animal
modificação da gordura do leite;
maturação de embutidos.
Protease/ peptidase
Aspergillus niger
Maturação de queijos.
Lactase
Kluveromyces
Hidrólise da lactose.
Pectinase
Aspergillus spp.
Extração/ clarificação de sucos
de frutas.
Celulase
Trichoderma, Aspergillus Processamento de frutas e
spp.
verduras.
Fonte: Adaptado de Lee (1996).
83
A ONDULAÇÃO DO CABELO (PERMANENTE) É ENGENHARIA BIOQUÍMICA
As α-queratinas expostas ao calor úmido podem ser esticadas e assumirem a conformação β, porém quando são esfriadas
revertem à conformação α-hélice espontaneamente. Isto é devido ao fato de grupos R das α-queratinas serem maiores, em média, que
os das β-queratinas e assim são incompatíveis com a conformação β estável. Estas características das α-queratinas, bem como o seu
alto conteúdo de interligações dissulfeto, são a base do processo de ondulação artificial permanente dos cabelos.
O cabelo a ser ondulado é primeiro enrolado ao redor de um objeto de forma adequada. Uma solução de agente redutor, em
geral um composto contendo um grupo tiol ou sulfidrila (SH), é então aplicado e o cabelo aquecido. O agente redutor rompe as ligações
dissulfeto, reduzindo cada cistina em dois resíduos de cisteína, uma em cada cadeia adjacente.
O calor úmido rompe as pontes de hidrogênio e provoca o desenrolamento e estiramento das estruturas polipeptídicas em αhélice. Depois de algum tempo, a solução redutora é removida e um agente oxidante é adicionado para estabelecer novas interligações
dissulfeto entre pares de resíduos de cisteína de cadeias polipeptídicas adjacentes, mas não os mesmos pares que existiam antes
destes tratamentos. Lavando e resfriando o cabelo, as cadeias polipeptídicas revestem a sua conformação em α-hélice. As fibras do
cabelo, agora, ondulam da maneira desejada porque novas ligações dissulfeto foram formadas onde elas exercem forças de torção nos
feixes de fibras do cabelo em α-hélice.
FONTE: Lehninger, Nelson & Cox, 1995.
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ENZIMAS X DOENÇAS
Desordens genéticas herdadas, podem ocorrer, nos tecidos, a deficiência ou mesmo ausência total, de uma ou mais enzimas.
Condições anormais também podem ser causadas pelo excesso de atividade de uma enzima específica.
Medidas da atividade de certas enzimas no plasma sanguíneo, eritrócitos ou amostras de tecidos são importantes no diagnóstico
de várias doenças.
Quadro 18 – Doenças genéticas causadas pela perda ou defeito de uma única enzima ou proteína.
DOENÇA
EFEITOS FISIOPATOLÓGICOS
ENZIMA OU PROTEÍNA AFETADA
Fibrose Cística
Secreções anormais nos pulmões, glândulas sudoríparas; Canal de cloreto
doença pulmonar crônica levando, em geral, à morte na
infância ou juventude.
Síndrome de Lesch-Nyhan
Defeitos neurológicos, automutilações, retardo mental
Hipoxiantina-guanina
fosforribosil
transferase
Imunodeficiência congênita
Perda severa da resposta imunológica
Fosforilase dos nucleosídeos de
purina.
Imunodeficiência congênita
Perda severa da resposta imunológica (as crianças Adenosina desaminase
precisam viver em ambientes estéreis)
Doença de Gaucher
Erosão dos olhos, juntas da bacia; algumas vezes ocorre Glicocerebrosídeos
danos cerebrais
Gota primária
Produção exagerda de ácido úrico resultando em ataques Fosforribosil pirofosfato sintetase
recorrentes de artrite aguda
Raquitismo dependente de vitamina D Pequena estatura, convulsões
25-hidroxicalciferol-1-hidroxilase
Hipercolesterolemia familiar
Arterosclerose resultante dos elevados índices do Receptor da lipoproteína de baixa
colesterol sanguíneo; algumas vezes ocorre morte precoce densidade
por falência cardíaca.
Doença de Tay-Sachs
Fraqueza da musculatura motora, deterioração mental e Hexosaminidase-A
morte ao redor dos 3 anos de idade.
Anemia falciforme
Dor, inchaço dos pés e mãos; pode provocar dor súbita e Hemoglobina
severa nos ossos e nas juntas e levar a morte.
FONTE: Lehninger, Nelson & Cox, 1995.
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ATIVIDADES: ENZIMAS
1) Defina o que são enzimas. Diferencie-as em cinco pontos dos catalisadores não
biológicos.
2) Como as enzimas podem ser classificadas? Cite as 6 classes.
3) Como é verificada a atividade enzimática?
4) Explique resumidamente os seis fatores que influenciam na velocidade das reações
que envolvem enzimas.
5) Dos fatores que afetam as atividades das reações, explique o que é temperatura ótima
e pH ótimo. Ilustre através de um gráfico e explique.
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6) Diferencie coenzimas de grupo prostético. Exemplifique.
7) Defina enzimas imobilizadas.
8) O que são inibidores enzimáticos? Como podem ser classificados? Diferencie a
inibição irreversível da reversível. Exemplifique com suas palavras.
9) a) Quais são as três fontes de obtenção enzimática? Qual dessas é a mais
empregada? Justifique. b) Cite três exemplos de cada origem.
10) Cite quais são os motivos da utilização de enzimas nas indústrias de alimentos e
aponte exemplos de sua aplicação nesse segmento.
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